Znajdź zawartość

Dr Bartosz Kiersztyn z Uniwersytetu Warszawskiego zajmuje się badaniem biofilmów bakteryjnych powstających na różnych powierzchniach w środowisku wodnym. Naukowiec zwrócił uwagę na fakt, że choć [...] w naturalnym środowisku wodnym tworzą się [one] bardzo szybko, to nie powstają wydajnie na powierzchni żywych glonów jednokomórkowych. Eksperymenty wykazały, że jedną z przyczyn tego zjawiska jest substancja wydzielana przez glony podczas fotooddychania. To bardzo istotne odkrycie, gdyż w biofilmach często występują patogenne bakterie, a wiele ich gatunków wytwarza i uwalnia toksyny. O ile w wodzie bakterie są w stanie szybko zasiedlić praktycznie każdą powierzchnię, na glonach jednokomórkowych kolonizacja prawie nie występuje. Bakterie niejako powstrzymują się przed kolonizacją żywych mikroskopijnych glonów – nie osadzają się na nich intensywnie i nie namnażają na ich powierzchniach. Obserwacje mikroskopowe oraz biochemiczne i molekularne jednoznacznie na to wskazują. Badania pokazały, że gradient mikrostężeń tej substancji wystarczy, by w środowisku wodnym bakterie nie osadzały się intensywnie na danej powierzchni. W pewnym momencie pojawił się pomysł, by opracować preparat, który zabezpieczy powierzchnie, w tym odzież i akcesoria wchodzące w kontakt z wodą (np. do uprawiania sportów wodnych), przed powstawaniem biofilmów. Takie rozwiązanie ma kilka plusów. Po pierwsze, wytwarzana przez glony naturalna substancja jest tania w produkcji przemysłowej. Możliwość zastosowania jej w mikrostężeniach dodatkowo sprawia, że sam preparat byłby tani w produkcji. Po drugie, naukowcy wskazują, że działanie preparatu wiązałoby się z "odstraszaniem" bakterii, a nie z ich eliminowaniem (eliminowanie groziłoby uwalnianiem z nich toksyn). Prowadzone dotychczas eksperymenty na materiałach, z których produkowane są m.in. pianki nurkowe i obuwie do uprawiania sportów wodnych, jednoznacznie potwierdzają, że na odzieży sportowej spryskanej roztworem z odkrytą substancją bakterie wodne osadzają się w minimalnym stopniu. Eksperymenty prowadzono m.in. w naturalnym środowisku w jeziorze Śniardwy, w specjalnie wyselekcjonowanym miejscu obfitującym w wiele szczepów bakteryjnych. Marta Majewska, brokerka technologii z Uniwersyteckiego Ośrodka Transferu Technologii przy Uniwersytecie Warszawskim, podkreśla, że odkrycie zostało już objęte ochroną patentową na terenie Polski. Obecnie trwają poszukiwania inwestora/partnera branżowego, który skomercjalizowałby preparat pod własną marką. W krajach południowych, gdzie przez większą część roku występują słoneczne i upalne dni, problemy związane z suszeniem oraz konserwacją odzieży i akcesoriów wykorzystywanych w sportach wodnych są znikome. Inaczej jest w naszych szerokościach geograficznych, gdzie nawet latem bywają pochmurne, chłodne i deszczowe dni. Powszechnym wyzwaniem związanym z mokrymi materiałami jest ich higiena oraz impregnacja – bakterie wodne, często posiadające potencjał patogenny, przyczepiają się do materiału, tworząc grube, trudne do usunięcia biofilmy. Odkryty na UW wynalazek pozwala ograniczyć to zjawisko i zabezpieczyć tkaniny. « powrót do artykułu

Poliuretanowa powłoka, która stopniowo uwalnia auranofinę, fosfinowy kompleks Au(I), pomaga przez niemal miesiąc zabijać bakterie. Podczas testów radziła sobie z metycylinoopornym gronkowcem złocistym (ang. methicillin-resistant Staphylococcus aureus, MRSA). Naukowcy uważają, że można by ją wykorzystać m.in. w cewnikach. Chcieliśmy uzyskać powłokę, która uśmiercałaby bakterie w formie planktonicznej i zapobiegałaby kolonizacji powierzchni. Wstępne dane pokazują, że mamy coś naprawdę obiecującego - opowiada prof. Anita Shukla z Brown University. Podczas testów poliuretanowa powłoka z auranofiną nie tylko zabijała gronkowce, ale i nie dopuszczała do powstawania biofilmów MRSA, które są szczególne oporne na leczenie. Autorzy publikacji z Frontiers in Cellular and Infection Microbiology wyliczają, że w samych USA rokrocznie zakłada się ponad 150 mln cewników naczyniowych. Zakażenia odcewnikowe rozwijają się u 250 tys. pacjentów rocznie; do zgonu dochodzi nawet w 25% przypadków. Koszty terapii są ogromne. Wcześniejsze próby poradzenia sobie z problemem nie były raczej udane. Powłoki antybakteryjne często tracą skuteczność po maksymalnie 2 tygodniach, bo zbyt szybko uwalniają lek. Poza tym bywa, że w powłokach wykorzystuje się tradycyjne antybiotyki, co w przypadku długotrwałego stosowania rodzi uzasadnione obawy odnośnie do rozwoju lekooporności. W swojej powłoce Shukla i inni zastosowali jednak kompleks złota(I) - auranofinę. Światowa Organizacja Zdrowia klasyfikuje ją jako lek antyartretyczny, ale badania Eleftheriosa Mylonakisa i Beth Fuchs z Brown University wykazały, że bardzo skutecznie zabija ona MRSA i inne niebezpieczne bakterie. Poza tym auranofina działa w taki sposób, że patogenom trudno rozwinąć oporność. Dotąd nie stosowano jej w żadnej powłoce. Podczas eksperymentów auranofinę dodawano do roztworu poliuretanu. Następnie rozpuszczalnik odparowywano, uzyskując rozciągliwą, wytrzymałą powłokę cewnika. Okazało się, że powłoka wytrzymuje bez pękania nawet 500% wydłużenie. Testując skuteczność rozwiązania, Amerykanie umieszczali powleczone cewniki w roztworze zawierającym MRSA oraz w hodowli MRSA na płytkach agarowych. Ustalono, że powłoki hamowały wzrost gronkowców od 8 do 26 dni, zależnie od zastosowanego stężenia auranofiny. Obserwując ewentualne przejawy tworzenia biofilmu, zespół posłużył się obrazowaniem bioluminescencji. Okazało się, że nie było żadnych sygnałów tworzenia biofilmu. Poliuretan działa jak bariera otaczająca auranofinę, poprawiając długoterminową wydajność antybakteryjną i antybiofilmową. Wstępne testy toksyczności pokazały, że powłoki nie wywierają niekorzystnego wpływu na ludzkie komórki krwi czy hepatocyty. Fakt, że obie składowe powłoki zostały zatwierdzone przez FDA, powinien przyspieszyć proces wydawania zezwoleń na testy in vivo. « powrót do artykułu

Bakteryjne biofilmy rozszerzają się, zajmując coraz większą powierzchnię szkliwa czy cewnika, wykorzystując do tego macierz pozakomórkową (ang. extracellular matrix, ECM). "Podkręca" ona ciśnienie osmotyczne w jego obrębie, prowadząc do pobierania z zewnątrz wody i wzrostu objętości. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda ustalili, że mechanizm ten może prowadzić nawet do 5-krotnego skoku promienia niektórych biofilmów w ciągu zaledwie doby (PNAS). Nasze studium zadaje kłam popularnemu obrazowi biofilmów jako osiadłych społeczności, pokazując, jak jego komórki współpracują, by skolonizować jakąś powierzchnię - podkreśla Agnese Seminara. Na podstawie składu i antybiotykooporności wyróżniono kilka rodzajów biofilmów. Dotąd jednak nie wiedziano, jaką funkcję w zakresie ruchu komórek na zewnątrz spełniają wici oraz ECM. Choć obecność wici wiązano z większą zdolnością do poruszania się, najnowsze badania Amerykanów pokazały, że w nieznacznym stopniu sprzyjają powstawaniu biofilmu. Gdy zespół Seminary wyhodował zmutowane bakterie pozbawione wici, rozprzestrzeniały się niemal z taką samą prędkością, co niemodyfikowane mikroorganizmy typu dzikiego. Kiedy jednak mutanty nie były w stanie wydzielać ECM, wzrost biofilmu został powstrzymany. Amerykanie prowadzili badania na laseczkach siennych (Bacillus subtilis), występujących pospolicie zwłaszcza w glebie. Spekulowali, że istnieje związek między rozrostem biofilmu a zapotrzebowaniem na składniki odżywcze. Ponieważ biofilmy wchłaniają je za pomocą powierzchni wchodzącej w kontakt ze środowiskiem, wzrost w pionie może zachodzić wyłącznie do osiągnięcia określonego stosunku powierzchni do objętości. Potem nie da się odpowiednio odżywić każdej komórki, dlatego trzeba się rozciągnąć na boki. Ostateczna zmiana kształtu biofilmu zależy od wchłaniania wody pod wpływem zwiększonego ciśnienia osmotycznego i rozchodzenia komórek w poziomie. Seminara i Michael Brenner stworzyli również model matematyczny, który odzwierciedlał wiele poczynionych obserwacji. Udało się wyznaczyć krytyczny moment, kiedy zaczyna się horyzontalny ruch masy. Rodzi się naturalne w tej sytuacji pytanie: czy bakterie aktywnie kontrolują ekspansję biofilmu i mogą go skierować do wybranych celów? Odpowiedź dotyczącą manipulowania środowiskiem przez mikroby poznamy jednak dopiero po zakończeniu kolejnych badań...

U niektórych pacjentów z implantami kardiologicznymi (sztucznymi zastawkami, rozrusznikami itp.) rozwija się groźne niekiedy dla życia zakażenie krwi, ponieważ bakterie w ich organizmie mają zmutowany gen, ułatwiający im tworzenie biofilmu na urządzeniu. Zespół z Uniwersytetu Stanowego Ohio i Centrum Medycznego Duke University, który pracował pod przewodnictwem m.in. prof. Stevena Lowera, zauważył, że pewne szczepy gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus) dysponują kilkoma wariantami białek powierzchniowych, ułatwiającymi tworzenie biofilmów. Ponieważ biofilmy są antybiotykooporne, jedynym wyjściem było do tej pory chirurgiczne usunięcie implantu i zastąpienie go nowym. Chcąc ograniczyć liczbę zakażeń i kosztowność wdrażanych procedur, Amerykanie przeprowadzili eksperymenty z wykorzystaniem mikroskopu sił atomowych i symulacji komputerowych. Sprawdzali, w jaki sposób bakterie przylegają do urządzeń, by utworzyć biofilm. Gdy proces zostanie uruchomiony, białka powierzchniowe bakterii łączą się z pokrywającym implant białkami surowicy ludzkiej krwi. Skoro jednak gronkowce znajdują się w nosie niemal połowy Amerykanów, czemu nie każdy pacjent przechodzi zakażenie? Czemu niektóre szczepy powodują infekcję, a niektóre pozostają uśpione? Naukowcy odkryli, że białka powierzchniowe gronkowców z 3 polimorfizmami pojedynczego nukleotydu (ang. single nucleotide polymorphism, SNP) wiązały się z białkami surowicy mocniej niż u pacjentów z gronkowcami z innymi wariantami proteiny. Wielu specjalistów pracuje nad materiałami, które nie dopuszczą do związania bakterii, do problemu można jednak podejść od innej strony - od strony samych bakterii. Prof. Vance Fowler z Duke University dysponuje biblioteką izolatów S. aureus. Naukowcy mają nadzieję, że dzięki niej uda się lepiej poznać oddziaływania między powierzchniami nieożywionymi a żywymi mikroorganizmami na poziomie molekularnym. W ramach najnowszego studium międzyuczelniany zespół badał 80 izolatów z 3 źródeł: 1) od pacjentów z zakażeniem krwi i potwierdzonym zakażeniem implantu kardiologicznego, 2) od pacjentów z zakażeniem krwi i niezakażonym urządzeniem oraz 3) z nosa zdrowych osób zamieszkujących ten sam obszar. Dr Nadia Casillas-Ituarte doprowadzała do związania pojedynczego gronkowca z fibronektyną pokrywającą powierzchnię skanującej sondy mikroskopu AFM (bakterie wykorzystują do tego adhezynę - białko wiążące fibronektynę A). Później próbowała je rozdzielić i zmierzyć siłę każdego połączenia. Jak dokładnie przebiegał eksperyment? Akademicy symulowali bicie ludzkiego serca, pozwalając, by na krótki moment doszło do związania. Później dźwigienkę podrywano, przeprowadzając taki zabieg co najmniej 100-krotnie na każdej komórce. Określano też działanie okolicznych komórek. W ten sposób powstał wykres dla ok. 250 tys. z nich. Pierwszym krokiem jest ustalenie, jak bakterie czują powierzchnię. Można zahamować ten proces, jeśli najpierw się go zrozumie - podkreśla Casillas-Ituarte. W kolejnym etapie badań naukowcy zsekwencjonowali aminokwasy wchodzące w skład białka wiążącego fibronektynę A ze wszystkich wykorzystanych izolatów. W ten właśnie sposób zidentyfikowali SNP charakterystyczne dla próbek pobranych od pacjentów z zakażeniami implantów kariologicznych. Symulacje komputerowe pokazały tworzenie się wiązań między białkami bakteryjnymi i ludzkimi. Przy standardowych sekwencjach białek cząsteczki trzymały się na dystans. Kiedy jednak zmieniono sekwencję 3 aminokwasów w bakteryjnym białku powierzchniowym, między białkami gronkowca i człowieka tworzyło się wiązanie wodorowe. Zmieniliśmy aminokwasy w taki sposób, by przypominały SNP zidentyfikowane u gronkowców od pacjentów z zakażeniami implantów. Wydaje się zatem, że SNP mają związek z tym, czy wiązanie się wytworzy, czy nie - tłumaczy Lower. Białko wiążące fibronektynę A jest jednym z ok. 10 białek powierzchniowych S. aureus, które tworzą wiązania z białkami komórki gospodarza. W przyszłości trzeba się więc będzie skupić na pozostałych. Nie można też wykluczyć, że istnieją warianty fibronektyny, które przyczyniają się do opisanego problemu.

Wcześniej sądzono, że każdy patogen tworzy jeden rodzaj biofilmu, jednak badania zespołu Davida Solla z University of Iowa pokazały, że bielnik biały (Candida albicans) tworzy dwa rodzaje biofilmu – tradycyjny patogenetyczny oraz rozrodczy. Amerykanie wykazali, że większość – ok. 90% - komórek kolonizujących organizm człowieka tworzy film patogenetyczny, który nie dopuszcza do wnikania leków przeciwgrzybicznych, a także przeciwciał i białych krwinek. Tworzą go komórki „nieaktywne seksualnie”. Pozostałe 10% to komórki aktywne płciowo. Te z kolei tworzą wysoce przenikane filmy, które stanowią środowisko sprzyjające rozmnażaniu. Makroskopowo oba biofilmy wydają się podobne, ale są regulowane za pośrednictwem innych szlaków sygnałowych. Zespół Solla wiąże z tą odmiennością funkcjonalną olbrzymie nadzieje. Naukowcy chcą ją wykorzystać przy opracowywaniu nowych leków.

Akademicy z Uniwersytetu w Nottingham opracowali niewielką granulkę, która w sposób kontrolowany uwalnia antybiotyki w uchu środkowym. Jak tłumaczą twórcy, można ją wszczepić podczas zabiegu zakładania drenażu wentylacyjnego. Łatwo się domyślić, że przyniesie to dużą ulgę dzieciom cierpiącym na nawracające lub przewlekłe wysiękowe zapalenia ucha środkowego. Przez okres 3 tygodni miniaturowa tabletka uwalnia wystarczającą ilość antybiotyku, by zwalczyć wszystkie potencjalne infekcje, które aż w 20% przypadków mogłyby sprawić, że konieczna stałaby się 2., a nawet 3. operacja. Pracami brytyjskiego zespołu kierowali profesorzy John Birchall oraz Roger Bayston. Szczególnie obawiamy się o dzieci, u których nawroty zapalenia ucha środkowego występują mimo drenażu wentylacyjnego, istnieje bowiem ryzyko trwałego uszkodzenia błony bębenkowej lub ucha środkowego – opowiada Birchall. Dzięki wysiłkom multidyscyplinarnego zespołu – poza otolaryngologami w projekt zaangażowali się też mikrobiolodzy, farmaceuci i chirurdzy – wiele dzieci nie będzie już cierpieć, nie będą też mieć problemów z mową i jej rozumieniem oraz uczeniem się. Rurki wentylacyjne zwykle wypadają samoistnie po ok. 9 miesiącach i nie wymagają usuwania z błony bębenkowej. Najczęściej laryngolog znajduje ją w woskowinie zalegającej przewód słuchowy. Niestety, później u części dzieci znowu rozwija się zapalenie ucha. W stanie zapalnym wyściółka jamy bębenkowej produkuje wydzielinę, która zalewając ucho środkowe, wywołuje niedosłuch. Po ustąpieniu infekcji wydzielina powinna być usuwana, ale nie zawsze się tak dzieje. Zmiany wysiękowe występują częściej u maluchów z przerostem migdałków podniebiennych. Badania zespołu z Nottingham wykazały, że w przebiegu zapalenia ucha środkowego bakterie tworzą biofilmy, które utrudniają lekom dostęp do miejsc receptorowych. Wskutek tego mikroby stają się 1000-krotnie mniej wrażliwe na ich działanie. W większości wypadków antybiotyki pomagają tylko czasowo i konieczne są kolejne drenaże. Testowaliśmy w laboratorium wpływ antybiotyków na biofilmy, ale szybko stało się jasne, że potrzebne są o wiele wyższe stężenia leków. Z tego powodu wiedzieliśmy, że antybiotyki doustne się nie sprawdzą. Opracowaliśmy biodegradowalną granulkę antybiotykową, którą można umieścić bezpośrednio w uchu – czyli tam, gdzie w danym momencie jest stan zapalny – wyjaśnia dr Mat Daniel. Potem przyszła kolej na opracowanie metody niszczenia biofilmu. Za ten etap prac odpowiadał dr Saif Al-Zahid. Bakterie biofilmu trzymają się razem w mocnej macierzy [nadaje ona biofilmowi zorganizowaną przestrzennie strukturę]. Ostatnio odkryliśmy, że wykrztuśna N-acetylocysteina potrafi skutecznie rozbić macierz, uwalniając bakterie, które zaczynają się unosić w formie przypominającej plankton. Dzięki temu antybiotyki skuteczniej wykonują swoje zadanie. […] N-acetylocysteina zapewnia też dodatkową korzyść, ponieważ zmniejsza ilość wysięku.

Streptococcus salivarius, bakteria wchodząca w skład fizjologicznej flory jamy ustnej, wytwarza dwa enzymy, które blokują tworzenie płytki nazębnej (Applied and Environmental Microbiology). FruA może być użyteczny w zapobieganiu próchnicy. [Podczas eksperymentów] aktywność inhibitorów była nasilona w obecności sacharozy. Wykazaliśmy, że w warunkach in vitro w pożywce zawierającej sacharozę wytwarzany przez S. salivarius FruA całkowicie hamował tworzenie biofilmu przez S. mutans – tłumaczy Hidenobu Senpuku z Narodowego Instytutu Chorób Infekcyjnych w Tokio. Japończycy sugerują, że FruA reguluje chorobotwórczość mikroorganizmów w jamie ustnej. Ustalili oni, że wytwarzany przez kropidlaka czarnego (Aspergillus niger) komercyjny FruA równie skutecznie zapobiega tworzeniu biofilmu, co FruA produkowany przez S. salivarius. Dzieje się tak, choć skład aminokwasowy enzymu grzybowego jest nieco inny niż streptokokowego. Co ważne, FruA jest wytwarzany nie tylko przez S. salivarius, ale także przez inne paciorkowce jamy ustnej.

Bakterie kojarzą się głównie ze śmierdzącymi substancjami, które produkują – warto wspomnieć choćby o siarkowodorze czy merkaptanach – lecz okazuje się, że organizmy te dysponują też molekularnym nosem. Zespół mikrobiologów z Uniwersytetu w Newcastle wykazał, że bakterie potrafią w ten sposób wykryć lotne związki, np. amoniak, wytwarzane przez inne rywalizujące z nimi mikroby. Zespół doktora Reinderta Nijlanda ustalił, że po "wyniuchaniu" konkurencji bakterie zaczynają tworzyć biofilm – czyli trójwymiarową kolonię zawieszoną w macierzy zewnątrzkomórkowych polimerów, która może przylegać do wilgotnych powierzchni. Z biofilmami związana jest lekooporność, stanowią one również główną przyczynę zakażeń implantów medycznych, takich jak zastawki serca, endoprotezy bioder czy nawet implanty piersi. Poza tym Brytyjczycy wspominają o tzw. biofoulingu, o którym po raz pierwszy napisano na początku XX wieku. W literaturze limnologicznej organizmy poroślowe nazwano wtedy mianem Aufwuchsmarine biofouling. Obrastanie kadłubów statków przynosi ogromne straty. Stają się one bowiem nadmiernie obciążone, co wiąże się ze zwiększonym tarciem i zużyciem paliwa. Odkrycie Nijlanda pozwoli lepiej zrozumieć mechanizm tworzenia biofilmów oraz ustalić, jak nimi manipulować dla naszych korzyści. To pierwszy dowód na istnienie bakteryjnego nosa, zdolnego do wykrywania potencjalnych konkurentów. Biofilm odgrywa ważną rolę zarówno w warunkach medycznych, jak i przemysłowych, dlatego fakt, że komórki tworzyły go pod wpływem ekspozycji na amoniak, ma kapitalne znaczenie [...]. Następnym krokiem będzie zidentyfikowanie nosa lub czujnika, który realizuje funkcję powonienia. Najnowsze odkrycie pokazuje, że bakterie dysponują co najmniej czterema z pięciu zmysłów: 1) reagują na światło, co odpowiada wzrokowi, 2) przejawiają zależną od kontaktu ekspresję genów (dotyk), 3) reagują na obecne w środowisku związki chemiczne i toksyny albo pod wpływem bezpośredniego kontaktu (smak), albo 4) stykając się z nimi przez powietrze (powonienie). Amoniak to jedno z najprostszych źródeł azotu – składnika kluczowego dla bakteryjnego wzrostu. Używając dwóch konkurencyjnych gatunków bakterii Bacillus subtilis i B. licheniformus, akademicy wykazali, że lotny amoniak stymulował tworzenie biofilmu, a siła reakcji spadała w miarę zwiększania odległości między koloniami. Zmysł węchu zaobserwowano u wielu istot, nawet u drożdży i śluzowców, ale nasze studium pokazuje po raz pierwszy, że powonienie występuje także u bakterii. Z ewolucyjnego punktu widzenia wierzymy, że to może być pierwszy przykład na to, jak żyjący organizm nauczył się wyczuwać inne organizmy – podsumowuje nadzorujący projekt prof. Grant Burgess.

Japońscy naukowcy wykazali, w jaki sposób obojętne dla zdrowia komensalne bakterie zapobiegają kolonizacji nosa przez patogeny, w tym przypadku przez gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus). Takayuki Iwase i zespół z Jikei University w Tokio zademonstrowali, że wydzielana przez komensalne Staphylococcus epidermidis proteaza serynowa Esp hamuje tworzenie biofilmu i kolonizację jamy nosowej przez gronkowce złociste. W ramach studiów epidemiologicznych zaobserwowano, że obecność wydzielających enzym Esp bakterii w nosie koreluje z brakiem S. aureus. Oczyszczona proteaza Esp zapobiega tworzeniu biofilmów oraz niszczy już istniejące. Co więcej, Esp zwiększa wrażliwość na oddziaływania układu odpornościowego. Japońskie odkrycia wskazują, że w żywych organizmach Esp utrudnia kolonizację gronkowców złocistych za pośrednictwem nowego mechanizmu nakładania oddziaływań (interferencji bakteryjnej). Iwase sądzi, że w przyszłości w walce z metycylinoopornymi szczepami gronkowca złocistego (MRSA) będzie można wykorzystywać spreje z Esp bądź żywymi S. epidermis. Wg specjalistów niezwiązanych z badaniem opisanym w Nature, lepiej wykorzystać komensalne bakterie niż sam enzym, gdyż Esp może stracić swoje właściwości lub stać się nieaktywny, a S. epidermis będą się stale rozmnażać i funkcjonować. Nie można jednak zapominać, że S. epidermis są mikroorganizmami oportunistycznymi, które nie szkodzą zdrowym, ale powodują infekcje u osób z osłabioną odpornością.

Zespół Any-Moniki Pais-Correii z Instytutu Pasteura zidentyfikował u jednego z retrowirusów zdolność do tworzenia struktur przypominających bakteryjne biofilmy, składających się z wielkocząsteczkowych węglowodanów oraz wtopionych w nie cząstek wirusa. O nowej metodzie propagacji patogenów poinformowało czasopismo Nature Medicine. Odkrycia dokonano podczas badań nad HTLV-1 - retrowirusem zdolnym do wywołania u ludzi m.in. białaczek, chłoniaków oraz chorób o podłożu zapalnym. Analiza mechanizmu wnikania tego patogenu do wnętrza komórek wykazała, że jego cząstki tworzą na powierzchni komórek strukturę łudząco podobną do biofilmu, zawierającą - oprócz cząstek samego wirusa - wielkocząsteczkowe węglowodany oraz inne składniki tzw. macierzy pozakomórkowej. Jak wykazały dalsze analizy, synteza składników wirusowego "biofilmu" jest wzmacniana przez samego HTLV-1, który wpływa na aktywność genów odpowiedzialnych za syntezę elementów macierzy pozakomórkowej. Wszystko wskazuje na to, że wytwarzanie tej powłoki jest dla wirusa wysoce korzystne, bowiem w stanie wolnym prawdopodobieństwo zakażenia komórek przez taką samą liczbę jego cząstek spada aż o 80%. Można się spodziewać, że HTLV-1 nie jest jedynym wirusem zdolnym do otaczania się ochronnym płaszczem składników macierzy pozakomórkowej. Osłona tego typu znacząco utrudnia eliminację patogenu przez układ odpornościowy, lecz z drugiej strony stanowi ona atrakcyjny cel dla ewentualnych terapii przeciwwirusowych. Niewykluczone więc, że ruszą w najbliższym czasie poszukiwania substancji zdolnych do niszczenia wirusowego "biofilmu" i eksponowania zawartych w nim cząstek wirusowych na kontakt z komórkami odpornościowymi.

Bakterie wytwarzające hydroksyapatyt (HA) można wykorzystać do uzyskania bardziej wytrzymałych implantów kości. Nową metodę opracowała profesor Lynne Macaskie z University of Birmingham. Podczas badań okazało się, że bakterie z rodzaju Serratia ściśle przylegają do różnych powierzchni, m.in. stopów tytanu, polipropylenu, porowatego szkła i pianki poliuretanowej, ponieważ tworzą biofilm zawierający biopolimery działające jak klej. Na tej warstwie tworzy się następnie powłoka z hydroksyapatytu. Aby dało się to wykorzystać w praktyce, warstwa HA musi ściśle przylegać. Materiał jest zatem suszony i podgrzewany (ma to zabić niepotrzebne już bakterie). Mikromanipulacyjna technika, którą wykorzystano do zmierzenia sił potrzebnych do rozerwania biokleju, wykazała, że by zniszczyć wysuszoną jego wersję, trzeba ciągnąć 20-krotnie mocniej niż w przypadku wersji świeżej. Po pokryciu hydroksyapatytem przyleganie stało się jeszcze kilkukrotnie silniejsze. Efektywność kleju zwiększała się, gdy powierzchnia nie była gładka, lecz lekko szorstka. Obecnie implanty kości uzyskuje się przez "nasprejowanie" hydroksyapatytu. Nie mogą się one jednak pochwalić dobrą wytrzymałością mechaniczną, poza tym sprej sięga tylko do widocznych obszarów. Z bakteriami nie ma tego problemu, bo dotrą wszędzie. Co więcej, bakteryjny HA ma lepsze właściwości niż minerał uzyskany chemicznie. Dzieje się tak, gdyż nanokryształy tego pierwszego są o wiele mniejsze i to właśnie to zapewnia im większą wytrzymałość. Bakterie są niszczone przez podgrzewanie, pozostawiając HA przylegający do danej powierzchni dzięki ich własnemu klejowi – przypomina to sos, który przywarł do patelni – podsumowuje prof. Macaskie.

Bakteryjne biofilmy, czyli wielowarstwowe kolonie ściśle przylegające do różnego rodzaju powierzchni, charakteryzują się m.in. specjalizacją poszczególnych komórek do pełnienia różnych funkcji. Dzięki badaczom ze Szkoły Medycznej Uniwersytetu Harvarda udało się ustalić mechanizm regulujący ten proces u jednego z gatunków mikroorganizmów. Naukowcy z Uniwersytetu Harvarda studiowali fizjologię pospolitych bakterii Bacillus subtilis. Celem studium było ustalenie dokładnego mechanizmu działania surfaktyny, czyli cząsteczki sygnałowej znanej już od pewnego czasu ze swojego udziału w tworzeniu biofilmów. Jak wykazał zespół kierowany przez dr. Roberto Koltera, zdolność do produkcji surfaktyny posiadają tylko niektóre komórki w biofilmie. Paradoksalnie, są one niezdolne do wykrywania tej samej substancji. Jakby tego było mało, druga populacja żyjąca w tym samym biofilmie jest w stanie wykrywać surfaktynę i reagować na jej obecność, lecz nie potrafi jej syntetyzować. Efektem odkrytego zjawiska jest powstanie dwóch wyraźnie odmiennych grup komórek. Choć dotychczas nie ustalono precyzyjnie funkcji każdej z nich, można przypuszczać, że podobny mechanizm może decydować o specjalizacji komórek w biofilmach tworzonych przez wiele rodzajów bakterii. Zrozumienie procesu powstawania biofilmów oraz ich wewnętrznej struktury ma niebagatelne znaczenie. Dla wielu chorobotwórczych mikroorganizmów jest to bowiem doskonały sposób na ochronę przed antybiotykami i atakami układu immunologicznego. Umiejętne manipulowanie zachowaniem takiej kolonii mogłoby w związku z tym znacząco ułatwić terapię licznych chorób wywołanych przez bakterie.

W najnowszym numerze Plasma Processes and Polymers możemy przeczytać o wykorzystaniu plazmy w... stomatologii. Chunqi Jiang i Parish Sedghizadeh, uczeni z Uniwersytetu Południowej Kalifornii (USC) użyli plazmowego próbnika do walki z biofilmami bakterii. Biofilmy takie powodują, że chronione przez nie kolonie bakterii są bardzo trudne do zwalczenia. Tworzenie się biofilmów to poważny problem współczesnej medycyny. W stomatologii powodują one liczne zakażenia ust, zębów czy dziąseł. Przeprowadzone eksperymenty udowodniły, że chronione biofilmem kolonie bakterii, które zagnieździły się w kanałach zębów, można łatwo zniszczyć za pomocą plazmy. Skuteczność leczenia potwierdzono za pomocą skanningowego mikroskopu elektronowego. Plazma kojarzy się z niezwykle gorącą materią, więc jej kontakt z organizmem człowieka jest wykluczony. Jednak naukowcy z Kalifornii skonstruowali próbnik, który generował plazmę o temperaturze pokojowej. Podczas leczenia na zębie pacjenta umieszczono czujniki, które wykazały, że po 10 minutach ekspozycji na działanie plazmy temperatura zęba wzrosła jedynie o 5 stopni Celsjusza. Zimną plazmę uzyskano dzięki zasilaniu urządzenia trwającymi 100 nanosekund impulsami prądu o napięciu kilkunastu kilowoltów i mocy mniej niż 2 watów. Uczeni przypuszczają, że tajemnica sukcesu plazmowego leczenia tkwi w tym, iż obecne w plazmie pojedyncze atomy tlenu niszczyły biofilm chroniący bakterię. Ponadto plazma była w stanie dotrzeć w najmniej dostępne zakamarki zęba, co znakomicie zwiększało jej skuteczność. Ponadto eksperyment dowiódł, że taki sposób leczenia jest bezpieczny dla pobliskich tkanek. Plazma to przyszłość. Była już używana do sterylizacji, ale nie stosowano jej bezpośrednio w praktyce klinicznej. Mamy nadzieję, że będzie to pierwszy przykład jej użycia - mówi profesor stomatologii klinicznej Parish Sedghizadeh, dyrektor Centrum Biofilmów na USC.

Amerykańscy naukowcy zidentyfikowali prosty sposób pozwalający na walkę z bakteriami Pseudomonas aeruginosa, odpowiedzialnymi za tzw. zakażenia szpitalne oraz groźne infekcje u osób o obniżonej odporności. Do skutecznego zablokowania rozwoju mikroorganzmów wystarczy pojedynczy enzym oraz syntetyczny polimer zbudowany z aminokwasów - jednostek budulcowych wchodzących m.in. w skład białek. Nowa metoda walki z bakteriami P. aeruginosa wykorzystuje ich uzależnienie od białka, aktyny F, oraz nici DNA - składników pozyskiwanych z ludzkich komórek odpornościowych zwanych neutrofilami, przybywających na miejsce infekcji i obumierających po wykonaniu swojego zadania. Jak wykazały wcześniejsze badania, fragmenty komórek gospodarza są wykorzystywane jako budulec dla tzw. biofilmów - zorganizowanych kolonii zdolnych do przytwierdzania się i wzrostu np. na powierzchni narzędzi chirurgicznych lub dróg oddechowych. Pomysł wykorzystania struktury biofilmów do walki z P. aeruginosa zrodził się w głowach badaczy z amerykańskiego szpitala National Jewish Health oraz Uniwersytetu Kolorado. Aby zneutralizować składniki konieczne do wytworzenia kolonii bakteryjnych, badacze zastosowali DNAzę - enzym zdolny do rozkładania DNA - oraz syntetyczny polimer kwasu asparaginowego, jednego z aminokwasów wchodzących w skład cząsteczek białek. Jak dowiedziono w eksperymencie, ładunek elektryczny reszt kwasu asparaginowego pozwolił na rozbicie kompleksów aktyny F na mniejsze fragmenty, określane jako aktyna G. DNAza pozwoliła z kolei na rozcięcie nici DNA na drobne fragmenty. Obie te zmiany uniemożliwiły bakteriom stworzenie stabilnego biofilmu, dzięki któremu mogłyby chronić się przed działaniem układu odpornościowego oraz antybiotyków. Opisywany eksperyment został przeprowadzony w warunkach in vitro, a więc poza organizmem żywym. Nie oznacza to jednak, że jest on bezużyteczny. Jego wyniki dostarczają bowiem wskazówek, które mogą ułatwić stworzenie skutecznej terapii zapobiegającej infekcjom Pseudomonas aeruginosa, trapiącym m.in. osoby podłączone do respiratorów, chore na mukowiscydozę czy przebywające na oddziałach chirurgii.

Naukowcy z Uniwersytetu Yeshiva zidentyfikowali grupę związków, które blokują aktywność bakterii, lecz, w przeciwieństwie do typowych antybiotyków, nie prowadzą do wytworzenia przez nie oporności na leczenie. Jeżeli właściwości preparatu są tak dobre, jak zapowiadają jego odkrywcy, możemy stać się świadkami przełomu w leczeniu chorób bakteryjnych. Pomysł na nową terapię opiera się na wykorzystaniu zjawiska tzw. wykrywania kworum (ang. quorum sensing). Polega ono na tym, że mikroorganizmy współistniejące na określonym obszarze wysyłają do otoczenia substancje zwane autoinduktorami, pełniącę funkcję chemicznych nośników informacji o obecności innych komórek w otoczeniu. Jeżeli poziom tych związków przekroczy określony poziom, mikroorganizmy uruchamiają serię przemian pozwalających na aktywację tzw. wirulencji, czyli zdolności do ataku na organizm gospodarza. Enzymem odpowiedzialnym za wytwarzanie autoinduktorów jest białko zwane MTAN. Uznano w związku z tym, że zablokowanie aktywności tej proteiny powinno zaburzać wykrywanie kworum. Oznaczałoby to, że bakterie potraktowane lekiem blokującym jej aktywność powinny utracić zdolność do wywołania choroby. Aby ustalić, jaki lek powinien być stosowany w celu zablokowania MTAN, naukowcy użyli komputerów. Dzięki specjalnemu programowi odtworzono strukturę enzymu, a dokładniej: jego stanu przejściowego, czyli kompleksu substratu (chemicznego "surowca") z białkiem. Zidentyfikowano w ten sposób około dwudziestu związków, które mogłyby dopasować się do cząsteczki MTAN w stanie przejściowym i zablokować jej aktywność. Swoje przypuszczenia naukowcy przetestowali na bakteriach Vibrio cholerae, odpowiedzialnych za cholerę, a także na szczepie 0157:H7 bakterii E. coli, odpowiedzialnym za liczne zatrucia pokarmowe. W doświadczeniu wykorzystano trzy związki wytypowane wcześniej jako leki zdolne do blokowania procesu wykrywania kworum. Ku radości badaczy okazało się, że mikroorganizmy utrzymywały stały poziom wrażliwości na nową formę leczenia aż do 26. pokolenia, za życia którego eksperyment zakończono. Ten niezwykle korzystny rezultat skłonił autorów doświadczenia do nazwania przebadanych związków "wiecznymi antybiotykami". Wiele wskazuje na to, że związki blokujące działanie MTAN mogą stać się bardzo skuteczną metodą leczenia zakażeń. Co prawda nie zabijają one bakterii, lecz ich użycie mogłoby pozwolić na powstrzymanie ataku i ułatwić usunięcie intruzów przez układ odpornościowy. Równie optymistycznie brzmi fakt, iż zjawisko wykrywania kworum dotyczy bardzo wielu gatunków bakterii patogennych dla człowieka. Może to oznaczać, że podobną metodę leczenia można by stosować w bardzo wielu przypadkach infekcji.

Niezwykłe włókniste twory, uformowane w wyniku wielu lat rozwoju mikroorganizmów, odnaleźli badacze z Penn State University w czeluściach jednej z włoskich jaskiń. Wchodzące w skład kolonii komórki mogą być jednymi z najwolniej wzrastających form życia na Ziemi. Odkrycia dokonano około pół kilometra pod ziemią, w jaskiniach należących do systemu Frasassi. Miejsce to jest bogate w związki siarki, co stwarza dogodne warunki dla niektórych typów organizmów, lecz lodowata woda wypełniająca jaskinie oraz znacznie obniżona zawartość tlenu znacznie spowalniają rozwój wszelkich komórek. Kolonie, będące formą tzw. biofilmów, zauważyli speleolodzy badający okoliczne formy geologiczne. Po konsultacji z przełożonymi zostali poproszeni o pobranie próbek zaobserwowanych nici. Przeprowadzone badania przyniosły bardzo interesujące rezultaty. Nie odnaleźliśmy żadnych sekwencji [DNA] znanych z organizmów zdolnych do wytwarzania metanu lub jego utleniania - ujawnia dr Jennifer L. Macalady, jedna z badaczek zaangażowanych w projekt. Jest to dość nietypowe, gdyż w jaskiniach bogatych w siarkę mikroorganizmy z tej grupy są zwykle dość liczne. Badacze oceniają, że brak mikroorganizmów metanowych wynika z charakteru chemicznego skał znajdujących się poniżej jaskiń systemu Frasassi. Zwykle w podobnych jaskiniach źródłem siarki są pokłady ropy naftowej i gazu ziemnego, zawierające także metan. We Włoszech, dla odmiany, siarka pochodzi najprawdopodobniej z silnie rozbudowanej warstwy gipsu. Szczegółowe analizy wykazały, że odnalezione biofilmy są złożone z bakterii oraz archeanów, najprymitywniejszych organizmów na Ziemi. Aż połowa tych ostatnich wykazywała wiele cech charakterystycznych dla swoich krewniaków żyjących w głębinach mórz. Jest to bardzo istotne, gdyż wiele informacji na temat archeanów, takich jak np. sposób ich odżywiania, jest dla badaczy niejasnych. Być może badanie próbek przywiezionych z Włoch umożliwi zebranie dodatkowych informacji na temat tych prostych form życia. Szczególne zainteresowanie specjalistów z Penn State University wzbudził nietypowy, nitkowaty kształt kolonii. Nie wiemy, dlaczego przyjmują one właśnie taki kształt, przyznaje dr Macalady. Mikroorganizmy wchodzące w ich skład wydzielają jakiś rodzaj lepiku lub pozakomórkowego polimeru - śluzu, którzy utrzymuje je razem. Ponad wszelką wątpliwość ustalono natomiast, że mikroorganizmy odkryte w jaskiniach Frasassi rozwijają się wyjątkowo wolno, lecz są za to w stanie utrzymać się przy życiu w wyjątkowo ubogim w energię miejscu. Szczegółowe testy wykazały, że pojedynczy sznur o długości 1-2 metrów wzrasta nawet do dwóch tysięcy lat. Nie licząc tego miejsca, organizmy wzrastające tak wolno żyją na Ziemi najprawdopodobniej wyłącznie na dnie najgłębszych mórz i oceanów. Na najbliższe miesiące zaplanowana jest kolejna ekspedycja, której celem będzie pobranie próbek biofilmu z największej możliwej głębokości.

Stare przysłowie mówi, że najlepszych przyjaciół poznaje się w biedzie. Okazuje się, że o jego prawdziwości przekonały się nawet... ameby. Co ciekawe jednak, w trudnych chwilach nie stać ich na sentymenty i bez wahania odrzucają ze swoich kolonii osobniki wyraźnie odmienne genetycznie. Autorami odkrycia są naukowcy z Rice University, zaś obiektem ich badań był gatunek Dictyostelium discoideum. Zdaniem badaczy, zachowanie poszczególnych komórek w kolonii przypomina nieco współpracę poszczególnych elementów układu immunologicznego bardziej złozonych organizmów. Widać bowiem wyraźnie, że te proste mikroorganizmy odróżniają "swoich" od "obcych" i ułatwiają przeżycie tylko komórkom podobnym do siebie pod względem sekwencji DNA w ich genomie. Typowy osobnik D. discoideum rozpoczyna swoje życie jako organizm jednokomórkowy i trwa w tym stanie tak długo, jak długo środowisko zapewnia mu dogodne warunki. Kiedy jednak w otoczeniu zaczyna brakować pożywienia, osobniki tego gatunku łączą się w charakterystyczne struktury. Są one złożone z "rdzenia" zbudowanego z martwych komórek oraz otaczającej go warstwy komórek żywych. Właśnie sposób budowania tych kolonii był zasadniczym obiektem badań. Eksperyment polegał na zawieszeniu w jednym roztworze różnych szczepów ameb i badaniu ich zachowania. W sytuacji, gdy znacząco zmniejszono dostepność pokarmu, komórki zaczęły do siebie przylegać. Dalsze analizy wykazały, że mikroorganizmy zawsze preferowały "towarzystwo" bliżej spokrewnionego szczepu. Kooperacja to jeden z największych sukcesów ewolucji życia, opisuje odkrycie dr Joan Strassmann, jeden z autorów odkrycia. Jego zdaniem, częścią tego sukcesu jest dopuszczanie kooperacji w taki sposób, by kontrolować konflikty. Jednym z najlepszych sposobów kontrolowania konfliktu jest kooperacja z osobnikami podobnymi genetycznie. Dlaczego D. discoideum dążą do segregacji? Odpowiedź jest prosta: jest to dla nich korzystne. Skupienie się w dużą grupę znacznie zwiększa szanse na przeżycie, zaś wykluczenie z niej "obcych" osobników zwiększa szansę na przetrwanie "własnych" genów w ewolucyjnym wyścigu. Zdaniem głównej autorki eksperymentu, dr Elizabeth Ostrowski, badania takie jak te pomogą w zrozumieniu praw rządzących powstawaniem biofilmów - złożonych kolonii tworzonych głównie przez bakterie. Ze względu na osadzanie się na wielu powierzchniach i budowanie zwartych struktur są one poważnym i trudnym do wyeliminowania zagrożeniem dla zdrowia ludzi. Badaczka twierdzi także, że podobne mikroorganizmy mogą posłużyć jako modele organizmów wielokomórkowych. Dzięki temu badania nad ich strukturą powinny stać się znacznie prostsze.

Akademicy z Cambridge odkryli, że superbakterie szpitalne, pałeczki ropy błękitnej (Pseudomonas aeruginosa), wytwarzają toksyny przypominające składnik jadu grzechotnika i w ten sposób przełamują linię obrony organizmu. Po raz pierwszy dowiedziono, że sposób bytowania bakterii, jako biofilm lub jako wolno żyjące organizmy, wpływa na to, jaki rodzaj białek mogą wytwarzać, a zatem jak bardzo są niebezpieczne – tłumaczy Martin Welch. Bakterie zebrane w biofilmie są tysiące razy oporniejsze na działanie antybiotyku niż wtedy, gdy egzystują w postaci pojedynczych komórek. Wcześniej sądzono, że biofilmy to niezbyt szkodliwe zbiorniki patogenów. Niszczące tkanki enzymy i toksyny wytwarzane przez bakterie biofilmu różnią się od substancji produkowanych przez pojedyncze bakterie. To właśnie pomaga im przetrwać ataki układu odpornościowego gospodarza. Brytyjczycy dowodzą, że szybko postępujące choroby o ostrym przebiegu są efektem działania swobodnie przemieszczających się bakterii, a choroby chroniczne to sprawka patogenów zgromadzonych w koloniach. Pacjenci z mukowiscydozą są podatni na ataki ze strony bakterii oportunistycznych (nazywanych też potencjalnie chorobotwórczymi), do których należą m.in. pałeczki ropy błękitnej. Agresywna antybiotykoterapia często prowadzi do całkowitej lekooporności, a w konsekwencji do niewydolności oddechowej i zgonu. Myślimy, że bakterie w płucach chorych na mukowiscydozę po części żyją w koloniach zwanych biofilmami i choć dogłębnie zbadano ich lekooporne właściwości, prawie w ogóle nie zajmowano się ewentualnym przyczynieniem do wystąpienia choroby – dowodzi Welch. Bakterie z biofimu miały, wg dawnych teorii, spoczywać w miejscu, a jedynie odrywające się z niego od czasu do czasu pojedyncze patogeny były w stanie doprowadzić do okresowego pogorszenia funkcjonowania płuc. Przy takim scenariuszu bakterie biofilmu produkują mniej szkodliwych związków chemicznych. Tymczasem Brytyjczycy odkryli, że jest dokładnie na odwrót. Aktywny składnik jadu grzechotnika, który przypominają toksyny biofilmu, nakłania komórki gospodarza do popełnienia samobójstwa (apoptozy). Mikrobiolodzy sprawdzają, czy podobnie dzieje się w przypadku toksyn bakteryjnych. Do zmiany wirulencji dochodzi wkrótce po utworzeniu się kolonii.